JP2006296198A - 動的切換可能な電力変換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気的な負荷に応じて電池の正負端子間の出力電圧(VO)を効率的なスイッチング手法を用いて動的に調節する電力変換器が準備され、電力変換器とスイッチング手法とは、共に電池容器内に組み込むために最適化される。更に、この電力変換器は、多くの型の電池に適合できる。
【選択図】図3
Description
携帯式電子装置のエレクトロニクスは、一般に直流(DC)電力を必要とする。一般的には、この直流電力を供給するエネルギ供給源として、1つ又はそれ以上の電池が使用される。理想的には、AAA、AA、A、C、D、及び、プリズマチック9Vなどの標準サイズの消費者向け電池などのエネルギ供給源は、携帯式電子装置のエネルギ要求に完全に適合すると思われる。アルカリ及びリチウム電気化学セルなどの電気化学的調合の向上は、増大した保管寿命、増大した貯蔵電荷、及び、ピーク容量を有する電池の必要性をある限られた程度まで満たしてきた。これらの変化にもかかわらず、いくつかの欠点が尚も存在している。
これに加えて、電池からの電圧及び電流は、多くの場合、携帯式電子装置のエレクトロニクスに直接電力を供給するのに適当ではない。例えば、電池によって決まる電圧レベルは、装置が電気的に要求する電圧レベルと異なることがある。更に、エレクトロニクスのいくつかの部分は、他の部分とは異なる電圧レベルで作動する場合があるので、異なるエネルギ供給源電圧レベルを必要とする。更にまた、電池は、装置の電流要求の急速な変動に対してしばしば迅速に応答することができない。
これに加えて、そのような電力変換器20は、概して携帯用として適してはいるが、それでも携帯式装置の大きさ、重量、及び、価格に好ましくない影響を及ぼす。
結果的に、携帯式電子装置のための、効率的で調節された出力電圧をより効率的に供給する電力変換器の必要性は非常に大である。
本発明は、内蔵動的切換可能容量式装置を有する電池を提供することにより、これら及び他の必要性を充足する。更に特定すれば、電気的な負荷に応じて電池の正負端子間の出力電圧(VO)を効率的なスイッチング手法を用いて動的に調節する電力変換器が準備され、電力変換器とスイッチング手法とは、共に電池容器内に組み込むために最適化される。更に、この電力変換器は、多くの型の電池に適合できると思われる。
更に、例証的バージョンにおいて、電力変換器は、フライコンデンサから電荷の転送を受け取る負荷コンデンサを利用する。より詳しくには、効率的に電荷移送するために、フライコンデンサは、負荷コンデンサ上の変動する負荷に適合すべく動的に切り換えられる。特に、電力変換器は、フライコンデンサ制御用のスイッチングマトリックスを含むチャージポンプを備えており、フライコンデンサは、電池のボルタ単電池と電気的に並列である充電モードへ切り換えられる。その後、スイッチングマトリックスは、放電モードへ切り替わり、フライコンデンサの電位は、ボルタ単電池と直列に追加的に配置され、その組み合わせは、負荷コンデンサに渡って電気的に結合されて、フライコンデンサに貯えられた電荷を負荷コンデンサの中に放電する。
別の態様は、スイッチングマトリックス制御装置の中に比較器を組み込むことにより、スイッチングマトリックスを動的に制御することである。幾つかのバージョンにおいては、出力電圧を所定閾値と比較する場合に使用する比較器のために、電圧基準装置と電圧基準装置のための温度補償装置も準備される。
付加的な態様においては、電圧変換器にバイアスをかけるため、特に比較的低い公称電圧を有するボルタ単電池のために、内部電源が準備される。
より詳細には、電池に対する負荷要求に応じて電力変換器を動的に制御することは、他の利点の中でもとりわけ、更なるピーク容量及び/又は高められた電力効率をもたらすことを本出願人は見出した。それに加えて、そのような動的スイッチングは、広範なボルタ単電池(例えば、リチウム、亜鉛酸、及び、アルカリその他などの電気化学単電池と、電気機械電池と、太陽電池その他など)に向いている。
本発明のこれら及び他の利点は、以下の検討から明らかになるであろう。
本明細書に組み込まれてその一部を成す添付図面は、本発明の実施形態を示し、上記の本発明に関する概説と共に実施形態の以下の詳説は、本発明の原則を説明するのに役立つものである。
図2を参照すると、電池28の電気的ブロック図は、ボルタ単電池36の入力端子32及び34間に挟まれた電力変換器30と、電池28の正出力端子38及び負出力端子40とを含む。電力変換器30は、正負出力端子38及び40に亘って、スイッチングマトリックス44によりそのモードが切り換えられる、切換可能容量式装置42を含む。スイッチングマトリックス44は、スイッチングマトリックス44から受信した測定値Mに応答して信号Sを発生するスイッチングマトリックス制御装置46からの信号Sにより制御される。
図4は、図3の非反転スイッチングマトリックス44’、フライコンデンサCFLY、及び、出力コンデンサCOUTの電気回路図であって、単純化された倍電圧器を描いている。充電モードの間の第1の半サイクルの間に、切換信号S1は、スイッチQ1とスイッチQ3とを閉じるように指令し、切換信号S2は、スイッチQ2とスイッチQ4とを閉じるように指令し、フライコンデンサCFLYは、VSまで充電される。第2の半サイクルの間に、切換信号S1は、スイッチQ1とスイッチQ3とを開くように指令し、切換信号S2は、スイッチQ2とスイッチQ4を閉じるように指令し、CFLYは、レベルをVSボルトだけ上方に移す。これは、フライコンデンサCFLYを出力コンデンサCOUTに接続し、エネルギが必要に応じて出力へ送られるのを可能にする。スイッチQ1〜Q4はCOUTから電荷を消耗する抵抗を有するので、実際の電圧は2xVSよりも僅かに低い。
P損失=P損失内部損失+Pポンプコンデンサ損失+P変換損失
ここで、(1)内部損失は、スイッチ駆動その他などの集積回路の内部機能に関連があり(これらの損失は、入力電圧、温度、及び、周波数などの作動条件によって影響を受ける)、(2)スイッチ損失は、集積回路のMOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)スイッチのオン抵抗により生じ、(3)チャージポンプコンデンサ損失は、フライコンデンサと負荷コンデンサとの等価直列抵抗(ESR)により生じる。
Pポンプコンデンサ損失+Pスイッチ損失=iO 2xROUT
ここで、fOSCは振動周波数である。第1項ROUTは、切換可能コンデンサの理想的な電力変換器30からの実効抵抗である。
出力電流iOが増大すると、電池28の出力電圧VOは降下する。電圧垂下VDROOPは、以下のように、電池28から引き出された出力電流iOに電池の出力抵抗ROUTを掛けたものに等しい。
VDROOP=iOxROUT
VO=2xVS−VDROOP
変換損失は、フライコンデンサCFLYと負荷コンデンサCOUTとの間で電荷移送中に両者間に電圧差がある時に生じる。電力損失は、
P変換=((CFLY/2)x(4V2S−V2O)+(COUT/2)x(2VOxVリプル−V2 リプル))xfOSC
ここで、Vリプルは、出力コンデンサCOUTと負荷電流iOとによって決まるピークからピークまでの出力リプル電圧である。
Vリプル=iO/(fOSCxCOUT)+2xiOxESRCOUT
出力コンデンサCOUTは、フライコンデンサCFLYから移送された電荷を貯えて、充電/放電サイクルの間で負荷の要求に応じる。良い一般的規則は、出力静電容量COUTをフライコンデンサのそれよりも少なくとも10倍大きくすることである。
ESRリプルの寄与は、出力コンデンサCOUTが充電する時に発生する。充電電流は、出力コンデンサCOUTのESRに亘って、出力コンデンサCOUTが充電されるにつれて消失する負の電圧パルスを作り出す。平衡状態において、フライコンデンサCFLY上の電圧が出力コンデンサCOUT上の電圧に近づく時、充電電流は全く流れない。この効果は、高効率コンデンサの場合には一層顕著である。
Vリプル(ESR)=8x((VS−2VO 2)/fOSC)x(ESRCOUT/(RO 2xCFLY))
リプル成分が主に電荷移送による場合の式は、Vリプル(ESR)=2x((VS−2VO2)/fOSC)x(1/(ROUTx(CFLY+COUT)))であり、ここで、ROUTは、開ループ出力インピーダンスである。セラミックコンデンサが使用される時によくあることであるが、出力コンデンサCOUTのESRが非常に小さい場合、Vリプル(移送)が支配的となる。低価格のタンタルコンデンサを用いる場合のように、ESRが比較的大きい場合、Vリプル(ESR)が支配的となる。
Vリプル=iO/(fOSCxCOUT)+2xiOxESRCOUT
高効率コンデンサの場合、出力電圧は準線型であり、従って、リプルは、ほとんど無関係なパラメータである。
初期始動モードにおいては、特に約1.2ボルトから約1.5ボルトの公称電圧を有する電子ボルタ単電池に対しては、スイッチQ1及びQ2は、ASIC48の寄生的ラッチアップを防ぐため、出力コンデンサCOUTに初期電荷を供給するように予め「オン」状態に有利に設定してもよい。内部電源(図示しない)によりスイッチングマトリックス制御装置46が給電された後、また、フライコンデンサCFLYが充電された後に、正常作動が実行される。
図6A及び図6Bは、特にマックスウェルからモデルUltra PC223として販売されている8Fウルトラコンデンサであるウルトラコンデンサに関する代表的な複合インピーダンスを周波数の関数としてプロットしたもので、その有益な低インピーダンスを示している。
スイッチングマトリックス44を動的に切り換えるのに使用された時、そのような比較器53がもたらす能力は以下に示される。要するに、フライコンデンサCFLYは、閉ループ手法において必要な時だけ有利に切り換えられるべきであり、開ループ発振器手法には基づかない。基本的な考え方は、出力コンデンサCOUTがある所定の閾値電圧(V1)に達した時に、フライコンデンサCFLYを放電モードに切り換えるということである。この時点において、フライコンデンサCFLYは、出力コンデンサCOUTを充電することになる。出力コンデンサCOUTがある電圧(V2)に達した時、フライコンデンサCFLYは切り離されて、充電されるボルタ単電池36に元通り接続される。これらの電圧に基づいてのみ切り換えるいうことがここでの要点である。
比較器53は、切り換えのための基準点としてM1/M2を利用する。これが理想的モデルのみに基づいた例示的説明であるということに留意することが重要である。包括的な比較器53は、動的スイッチングマトリックス制御装置46の一般的な作動を示すために用いられる。
図10は、所定閾値に関して分圧器54によりバイアスをかけられた比較器53を利用するスイッチングマトリックス制御装置46の電気回路図である。
図10Aは、出力電圧が所定閾値に関して変動する時のスイッチングマトリックス44に対する切換指令の目標とするヒステリシスを示す、図10のスイッチングマトリックス制御装置46に対する経時的な代表的電圧プロットある。このシミュレーションに対して、図10の構成要素の値は、R22=1メガオーム、R23=40キロオーム、R24=10メガオーム、R27=1メガオーム、R28=200キロオーム、及び、C21=22ピコファラッドのように選択された。
図11Aは、図11の第2の比較器48’のためのヒステリシス判断増幅器56が後に続く第1の対の差動増幅器55である。
図11Bは、図11の第2の比較器48’のためのヒステリシス判断増幅器58が後に続く第2の対の差動増幅器57である。
図11Cは、図11の第2の比較器48’のための自己バイアス増幅器59である。
図11Dは、図11の第2の比較器48’のための1対のインバータ60及び61である。
図13は、出力コンデンサCOUTの初期充電期間に対する図12B及び図12Dの電圧プロットである。
図14Aは、図14の比較器48’’のための、内蔵ヒステリシスを有する1対の差動増幅器72及び73である。
図14Bは、図14の比較器48’’のための、高利得レール・ツー・レールに対するシュミットトリガ74aである。
図14Cは、スイッチングポイントに対処する、図14の比較器48’’のための3つのインバータ75、76、及び、77である。
図16は、図2の用途特定集積回路(ASIC)48のための単段昇圧鎖状内部電源56aに対する電気回路図であって、図16Aは、その回路を適切に順序付けるクロック信号を示す。
図17は、図2の用途特定集積回路(ASIC)48のための多段昇圧鎖状内部電源56bに対する電気回路図であって、図17Aは、その回路を適切に順序付けるクロック信号を示す。多段昇圧鎖状内部電源56bは、2つの単段昇圧鎖状内部電源56a’及び56a’’の直列結合から形成される。
図18は、図17の多段昇圧鎖状内部電源56bの各段56a’及び56a’’に対する経時的な電圧プロットである。
更に、比較器53は、有利な動的スイッチング制御を与える閉ループ制御機能をもたらすものとして図示されているが、厳密調節又は未調節のいずれかの電圧閾値を用いるある形の比較を行なう他の閉ループ設計で置き換えてもよいことを当業者は理解するであろう。このことは、例えば、発振器開ループ制御機能の省略を可能にする。
図19Aを参照すると、入力電圧VSより低い出力電圧VOを与える降圧電力変換器の一例として、電力変換器82aのためのバック電力出力段80aのトップレベル図が示されている。バック出力段80aは、入力端子24及び25においてエネルギ供給源12に、また、出力端子26及び27において負荷装置14に結合され、エネルギ供給源12から負荷装置14へとエネルギを配送する。エネルギ供給源12は、入力電圧VSと入力電流iSとを供給する。負荷装置14は、電流iOと出力電圧VOとを受け取る。
具体的には、昇圧電力出力段80bは、入力電圧VSの安定性を高めるために使用される入力端子24及び25に渡って結合された容量素子C1の追加以外は、上記の図19Bで説明したものである。
更に、電力出力段80bが放電される時のほか、負荷コンデンサCLに初期電荷を供給する時、始動回路116は、始動停止制御装置100にバイアスをかける。
出力電圧VOは、始めは2つの電圧閾値VOFF及びVONよりも低い。充電及び放電状態間のスイッチングのデューティサイクルは、構成要素の容量値及び誘導値と目標とする出力電圧VOとを考慮に入れた所定の値であって、出力電圧VOを維持するために、デューティサイクルは電源電圧VSの低下に応答する。スイッチング・デューティサイクルの作動は、出力電圧VOが電圧閾値VOFFよりも高くなる時間Aまで続き、その時点において、ヒステリシス的比較器70は、マルチプレクサ114に信号を送って切換信号S1及びS2を出力するのを停止させ、整流素子MR及びスイッチMSを開かせる。負荷装置14は、出力コンデンサCOUTから貯えられたエネルギを引き出し、出力電圧VOが電圧閾値VOFFよりも下に下降するまで出力電圧を消耗する。しかし、比較器70は、マルチプレクサ114に対して切換信号S1及びS2を再開するように信号を送る前に、出力電圧VOが電圧閾値VONよりも下に落ちる時間Bまで待つことによりヒステリシス的に応答する。
本発明は、従って、そのより広い態様において、特定な詳細、代表的な装置及び方法、及び、提示され説明された例証的な実施例に限定されるものではない。従って、本出願人の一般的な革新的概念の精神又は範囲から逸脱することなく、そのような詳細からの離脱が為されてもよい。
36 ボルタ単電池
32、34 入力端子
30 電力変換器
38 正出力端子
40 負出力端子
44 スイッチングマトリックス
42 切換可能容量式装置
M 測定値
46 スイッチングマトリックス制御装置
S 信号
COUT 出力コンデンサ
CFLY フライコンデンサ
48 用途特定集積回路(ASIC)
VS 公称電源電圧
50 電圧基準装置
56 内部電源
44’ 非反転スイッチングマトリックス
Q1〜Q4 スイッチ
S2 切換信号
53 比較器
54 分圧器
48’ 第2の比較器
64 差動増幅器
65 ヒステリシス判断増幅器
66 差動増幅器
67 ヒステリシス判断増幅器
68 自己バイアス増幅器
69、70 1対のインバータ
72、73 第1及び第2差動増幅器、
74 高利得レール・ツー・レール
75、76、77 第1、第2、及び、第3インバータ
48’’ 比較器
74a シュミットトリガ
56b 多段昇圧鎖状内部電源
26 一段の容量チャージポンプ
12 エネルギ供給源
80a 電力変換器
14 負荷装置
84 正端子
86 負端子
27 負出力端子
88 正の端部
90 負の端部
92 正端子(ソース)
94 負端子(ドレーン)
MR 整流素子
96 正の端部(ドレーン)
98 負の端部(ソース)
MS スイッチ
S2 制御信号
L インダクタ
CL コンデンサ
S1 制御信号
82b 電力変換器
VO 出力電圧
VF フィードバック電圧
VL ノード
100 始動停止制御装置
104 電圧基準装置
106 ヒステリシス的比較器
108 変調器
110 一定周波数発振器
112 SRフリップフロップ
114 マルチプレクサ
116 始動回路
Claims (4)
- 正電極と負電極とを含み、前記正電極及び負電極に渡る電極電圧をもたらす電荷を貯えたボルタ単電池と、
前記ボルタ単電池を実質的に包含し、正端子と負端子とを含む容器と、
を含む電池であって、
動的切換可能な容量式チャージポンプは、電極と端子との間に電気的に挟まれ、
前記チャージポンプは、容器により実質的に包含され、好ましくは、前記動的切換可能容量式チャージポンプは集積回路を含む、
ことを特徴とする電池。 - 前記容量チャージポンプは、前記正端子及び負端子に渡って電気的に結合された出力コンデンサを含み、前記容量チャージポンプは、交互に充電モードにおいては充電するために前記電極に渡って電気的に結合され、放電モードにおいては前記出力コンデンサの中に放電するために前記ボルタ単電池と加法的な直列結合となるフライコンデンサを含み、好ましくは、前記フライコンデンサ及び出力コンデンサのうちの一方は、高効率コンデンサであることを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記チャージポンプは、
前記充電モードと前記放電モードとの間で、前記フライコンデンサ、前記出力コンデンサ、及び、前記ボルタ単電池を電気的に切換可能に結合するスイッチングマトリックスと、
充電モードと放電モードとの間の前記切換を指令するために前記スイッチングマトリックスと機能的に結合され、好ましくは、出力電圧が所定の閾値よりも下降するのに応答して前記スイッチングマトリックスに前記放電モードになるように指令し前記出力電圧が所定の閾値よりも上昇するのに応答して前記スイッチングマトリックスに前記充電モードになるように指令する比較器を含み、更により好ましくは、前記比較器は前記出力電圧が前記所定閾値に近づく時の急速な振動を防止するヒステリシス回路を含み、及び/又は、前記比較器は増幅器とヒステリシス装置とを有する出力段を含む、スイッチングマトリックス制御装置と、
を更に含むことを特徴とする請求項1から請求項2のいずれか1項に記載の電池。 - 前記スイッチングマトリックスは、前記正電極を前記フライコンデンサの第1の端部と電気的に切換可能に結合する第1のスイッチと、前記フライコンデンサの前記第1端部を前記電池の前記正電極と電気的に切換可能に結合する第2のスイッチと、前記負電極を前記フライコンデンサの第2の端部と電気的に切換可能に結合する第3のスイッチと、前記フライコンデンサの前記第2端部を前記正電極と電気的に切換可能に結合する第4のスイッチとを含み、好ましくは、前記第1スイッチ、第2スイッチ、第3スイッチ、及び、第4スイッチは、各々、電界効果集積回路から成り、前記第1及び第3スイッチは閉じ前記第2及び第4スイッチは開いて前記充電モードに作用し、前記放電モードに対してはその逆になり、更により好ましくは、前記スイッチングマトリックスは、前記電力変換器の一部分が不活性である初期条件を更に含むことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電池。
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